MAG effiziente Schweißtechnik Fülldraht

Effiziente Schweißtechnik mit MAG-Fülldrähten
Dr.-Ing. Erturul ENGINDENIZ
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Einleitung
Da die Schweißtechnik neben Ihrer Notwendigkeit für metallverarbeitende Industrie auch auf die
Wirtschaftlichkeit einen entscheidenden Einfluss ausübt, wird stets angestrebt, die Fertigung durch
den Einsatz von modernen, leistungsorientierten Schweißverfahren ohne Qualitätseinbuße zu
optimieren. Denn die kostengünstige Produktion ist die Basis für die Existenzpflege der Unternehmen
und damit für die positive Entwicklung eines Industrielandes.
Vor diesem Hintergrund wurde Ende der 60er Jahre die Entwicklung der für den industriellen Einsatz
geeigneten Fülldrahtelektroden soweit vorangetrieben, dass sie in großen Mengen produziert werden
konnten. Anfänglich wurden dem Schutzgasbereich in Bezug auf die Anwendung größere Chancen
eingeräumt, obgleich dies aufgrund der noch nicht ausgereiften Herstellmethoden hinsichtlich der
Drahtabmessung unverständlich klingt. Analog zur Stabelektrode hat man versucht, die
unschlagbaren Vorteile der Schlacke auf das Schutzgasschweißen zu übertragen, was wiederum
absolut verständlich erscheint. In der Tat hat die Fülldrahtelektrode auf dem Sektor des
Schutzgasschweißens wegen der besseren Nahtqualität und der höheren Wirtschaftlichkeit die
größten Erfolge zu verzeichnen. Im Vortrag werden diverse Applikationsbeispiele aus aktuellen
Projekten angesprochen, die unter Einsatz von gasgeschützten Fülldrähten gefertigt werden. Die
ausgewählten Applikationen sollen als Überblick für das Anwendungsspektrum dienen. Grundsätzlich
sei erwähnt, dass durch die Anwendung der Fülldrahttechnik der Austausch aller Stabelektroden
gegeben ist. Es umfasst die Massenbaustähle, die warmfesten und Stahlgusssorten bis hin zum
hochfesten, vergüteten Feinkornbaustahl mit Rp0,2 ≥1100 N/mm².
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Fußballstadion FC Shaktar in Donetsk / Ukraine
Im Juni 2006 erhielt die türkische ENKA-Gruppe den Auftrag, in Donetsk ein gemäß UEFA- und FIFARichtlinien 5-Sterne-Stadion zu bauen. Nachdem noch im selben Jahr im August mit Aushub der
Fundamente begonnen wurde, konnte die Fertigstellung dieser großzügigen Anlage termingerecht, im
August 2009, realisiert werden. Die Aufnahme in Bild 1 vermittelt eindrucksvoll die besondere Form
der Dachkonstruktion, die vom Gesamtstahlgewicht von 4300t, etwa 3800t für sich in Anspruch nimmt.
Bild 1:
Fußballstadion FC Shakhtar in Donetsk / Ukraine
Die Idee der Architekten war ein harmonisches Dach ohne Stützen zu konstruieren. Dies wurde durch
60m weit gespannte Raumfachwerke realisiert, die auf genauso weit auskragenden, räumlichen
Fachwerkträgern aufliegen.
Wie in Bild 2 dargestellt, befinden sich somit die räumlichen Fachwerkträger und das Raumfachwerk
in einer Ebene. Die Dachhöhe beträgt 54m. Die Arena fügt sich mit ihrem nach Süden abfallenden
Dach in die Konturen des Leninsky-Parks. Dabei reduziert sich die Dachhöhe um ein Drittel, womit
einer deutlich gesteigerten Sonneneinstrahlung für die Rasenfläche Rechnung getragen wird. Dies hat
jedoch konstruktiv zur Folge, dass alle 12 Fachwerkträger unterschiedliche Abmessungen aufweisen.
Aus diesem Grund hat die Produktion der Teile, mit anschließender Montage-Logistik, einen ernorm
hohen Aufwand verursacht. Die Dachsegmente sind so konzipiert, dass gewisse
Bodenverschiebungen, bedingt durch den früheren Kohleabbau, kompensiert werden können. Im
Stadion finden 50.000 Fußballfreunde Platz, incl. 5000 VIP-Gäste. Die Größe der Baustelle wird mit
255.000m2 angegeben. Die bebaute Fläche einschließlich der Steigung beläuft sich auf 46.780m2 .
Das Stadion kostet etwa 180Mio. € [1].
Eine weitere Besonderheit dieses Stadions ist die imposante Glasfläche, die mit 24.000m 2 zu Buche
schlägt. Die komplett umlaufende Glasfassade zum Teil mit durchsichtiger Dachkonstruktion, wird
dem Stadion unter Flutlicht ein juwelenähnliches Aussehen verleihen. Es gilt als sicher, dass der
Fußballverein FC Shakhtar, bis auf Weiteres, die modernste Arena Osteuropas besitzt, die als
Austragungsort einer Halbfinalbegegnung, der Fußball-Europameisterschaft 2012, vorgesehen ist.
Bild 2:
Dachkonstruktion während der Montage, aufgenommen im Mai 2008
Neben der UP-Technik kam das MAGM-Schweißen ausschließlich mit Fülldrahtelektroden zum
Einsatz. Enka/Cimtas hat in der Türkei die meiste Fülldrahterfahrung. Hier wird seit über 25 Jahren mit
Fülldraht unter Schutzgas geschweißt. Zur Anwendung kamen 2 Typen mit Rutilschlacke (E 71 T1 und
E 81 T1-Ni1) und ein Draht mit Metallpulverfüllung (E 70 C-6 M).
Die Aufnahmen in Bild 3 belegen deutlich, wie intensiv die Schutzgas-Fülldrahttechnik dort forciert
wird. Diese kommt sogar bei der Montage auf
der Baustelle ebenfalls zur Anwendung.
Weitere Schweißverfahren, die für die Fertigung
der hier gezeigten Bauteile benutzt wurden,
sind:
- WIG-Schweißen
- Bolzenschweißen
- Laserschweißen
- EH-Schweißen mit Stabelektroden
Letzteres wurde in geringem Maße nur auf
Baustellen eingesetzt. Die Fertigung der
dünnwandigen Rohre für die Dachelemente am
Stadion erfolgte mittels Laserschweißen.
Bild 3: Mit Rutilfülldraht geschweißte Träger für Shakhtar Stadion
Bild 4: Verfahrensprüfung an einem 70mm dicken Blech aus P460 NL1
Bild 4 zeigt stellvertretend die Dokumentation der mit einem Metallpulver-Fülldraht durchgeführten
Verfahrensprüfung am 70 mm dicken Blech der Sorte P460 NL1. Es ist deutlich zu erkennen, dass die
Anforderungen klar übertroffen werden. Ein entscheidender Vorteil der Metallpulvertypen gegenüber
den schlackeführenden Fülldrahtelektroden ergibt sich in diesem Zusammenhang bei den
Mehrlagenschweißungen, da hier die Zwischennahtreinigung entfällt. Die Grundlagenuntersuchungen
haben gezeigt, dass die Metallpulver-Fülldrahtelektroden unter dem Schutzgas M 21 drei
Lichtbogenbereiche Kurz - Misch- und Sprühlichtbogen aufweisen. Die erstaunlich geringe
Spritzerbildung im Kurzlichtbogenbereich eröffnet dem Draht auch bei manuellem Einsatz universelle
Anwendungsmöglichkeiten. Dies gilt insbesondere für die gute Spaltüberbrückbarkeit
(Wurzelschweißen) und für das Schweißen in Zwangslagen. Die Brennerstellung ist ähnlich der beim
Schweißen mit Massivdrahtelektroden d.h., sie ist leicht stechend oder neutral.
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Halbtaucherbohrinseln
Die voranschreitende Verknappung von Erdöl und Erdgas an Onshore-Quellen zwingen dazu, die
Suche nach natürlichen Rohstoffen auf die Weltmeere auszudehnen, deren Oberfläche mit knapp
71% unseren Planeten bedeckt. Vor diesem Hintergrund werden die Offshore-Aktivitäten immer
lukrativer, weshalb gegenwärtig zahlreiche Bohrinseln gebaut werden. Im Vortrag werden jene
Bohrinseln angesprochen, die mobil eingesetzt werden können. Diese sind als Ponton ausgeführt und
damit schwimmfähig und besitzen eigene Antriebseinheiten, die einerseits den Transport zu neuen
Positionen ermöglichen und andererseits die Fixierung der Plattform über dem Bohrloch
gewährleisten.
In Abu Dhabi wird momentan aus der Reihe der Bohrplattformen die Halbtauchervarinte in Serie
gefertigt. Diese Bauart benutzt Pontons als Schwimmkörper, sodass die Bohrinsel in großen
Wassertiefen bis 3500m mobil eingesetzt werden kann. Gefüllte Ballasttanks erlauben es diesem
Bohrinseltyp selbst bei rauer See recht ruhige und stabile Lage. In Bild 5 erkennt man einen aus drei
Blöcken bestehenden Ponton mit 105m Länge [2].
Bild 5: Vorfertigung der Pontons einer Bohrinsel in Abu Dhabi (Aufn. Mai 2008)
Bild 6 zeigt in schematischer Darstellung die Eckdaten einer Verfahrensprüfung am 40mm dicken
Stahl 355 EM mit unsymmetrischer 1/3-2/3-DHV-Nahtvorbereitung, wobei der Luftspalt im Schnitt
3mm beträgt. Die in der PC-Position ausgeführte Verbindung besteht aus 31 Raupen. Die untere
Tabelle in Bild 6 gibt die Schweißparameter mit signifikanten Geschwindigkeiten aus vier Bereichen
wieder. Die Streckenenergie schwankt zwischen den Extremen 5,9 und 20,7 kJ/cm. Der hier
verwendete Fülldraht mit Rutilschlacke E81T1Ni1MJH5 ist bis -60°C zugelassen und CTOD geprüft.
Die dabei ermittelten Werte bei -10°C und -20°C gehen aus der Tabelle 1 hervor. Die an die Naht
gestellte Anforderung lag bei 0,15 / -20°C, die sicher erfüllt wurde.
Bild 6: Verfahrensprüfung aus der Offshore-Technik
Tabelle 1: CTOD-Ergebnisse der verwendeten Fülldrahtelektrode
CTOD (BS) mm bei -10°C
0,364
0,355
0,347
0,355
CTOD (BS) mm bei -20°C
0,191
0,162
0,203
0,185
Die im Rahmen der Verfahrensprüfung nachgewiesenen Güteeigenschaften sind Bild 7 zu
entnehmen. Der Test zeigt in allen Bereichen der Verbindung zufrieden stellende Ergebnisse mit
ausreichenden Reserven.
Bild 7: Ergebnisse der Verfahrensprüfung aus der Offshore-Technik
Bild 8: Montage der Bohrinsel im Trockendock und ausdocken nach Fertigstellung
In Bild 8 links befindet sich die Bohrinsel im Trockendock für die Endmontage. Dieses Bauwerk besitzt
an den Pontonsenden insgesamt 8 Antriebsmotoren, die neben dem Transport der Insel nach
Fertigstellung der Bohrung sie auch auf Bohrposition halten können. Das Gesamtgewicht reicht bis
30.000 t. In Bild 8 wird die Bohrinsel zur Ausrüstung ausgedockt.
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Geschweißte Zahnradkonstruktionen
Im Schwermaschinenbau werden Zahnräder in Schweißkonstruktionen, bestehend aus Nabe,
Radscheibe und Zahnradbandage hergestellt. Es handelt sich hierbei je nach Raddurchmesser um
zum Teil sehr dickwandige Bauteile, so dass das Schweißen mit sehr risssicheren Zusätzen
notwendig wird. Als solche haben sich basische Fülldrahtelektroden bestens bewährt. Hierbei kommt
im Hinblick auf die Nahtquerschnitte und insbesondere die Stahlsorte 42 Cr Mo 4 der niedrige
Wasserstoffgehalt der nahtlosen Fülldrähte zur Geltung. Das Schweißen erfolgt grundsätzlich mit
Vorwärmung auf ca. 300 °C.
Im Beispiel (Bild 9) wurde mit der Abmessung Ø 2,4 mm vollmechanisiert geschweißt. Bild 9 zeigt
auch die Verbindung der Zahnradbandage, wofür ein vergütbarer Fülldraht zur Anwendung gelangte.
Bandage
42CrMo
4
Scheibe
St 52-3
30°
70 mm
Nabe
C 22
6°
Schweißverfahren
: MAG
Schweißzusatz : MEGAFIL 731 B, 2,4 mm
Schweißstrom
: 500 A
Schweißspannung
: 32 V
Schweißgeschw.: 30 - 40 cm/min
Stromart / Polung
: G + Pol
Schutzgas
: CO2
Vorwärmtemp. : 300°C
35°
Bandage
s=125 mm
Schweißverfahren
Grundwerkstoff
Schweißzusatz
Schweißstrom
Schweißspannung
Schweißgeschwindigkeit
Stromart / Polung
Schutzgas
Vorwärmtemp.
Wärmenachbehandlung
: MAG
: 42 CrMo 4
: MEGAFIL 807 B, 1,6 mm
: 320 A
: 30 V
: 35 cm/min
: G + Pol
: CO2
: 300°C
: 4h / 640°C
Bild 9: Bauteilskizze, Nahtvorbereitung und Schweiß-Bedingungen für ein Schwermaschinen-Zahnrad
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MOSE-Projekt
Um die Venedig-Lagune vor Hochwasser zu schützen, hat das Wasserbauamt Venedig das MOSEProjekt,`` MOdulo Sperimentale Electtromeccanico``, für den Bau frei gegeben. Die Konstruktion sieht
vor, dass alle drei Hafeneinfahrten (Lido, Malamocco und Chioggia s. Bild 10), die die Lagune mit
dem Meer verbinden, bei Hochwassergefahr durch bewegliche, am Meeresgrund angeordnete
Barrieren geschlossen werden.
Bild 10: Hafeneinfahrten in die Venedig-Lagune [3]
Diese bestehen aus dem Offshore-Stahl S355K2G3, die jeweils mit zwei Scharnieren am Fundament
im Meeresgrund verbunden sind. Die Gesamtansicht dieser Unterwasseranlage ist in Bild 11 zu
sehen. Unterhalb der Barrieren befinden sich Modularstrukturen, die die Stahlbarrieren auch bei
maximaler Belastung der Wasserkraft stabil halten. Diese Unterkonstruktion dient auch dazu, zwecks
Wartungsarbeiten die Barriereteile zu demontieren, eine Arbeit, die alle 4 Jahre turnusmäßig
stattfinden soll. Die einzelnen Sektionen sind zwischen 18 und 21 m hoch, 3,6 m bis 5 m dick und 20
m breit.
Bild 11: Entstehung der Schutzmauer
Bei Bedarf werden diese mit Luft beaufschlagt. Somit wird das Wasser hinausverdrängt. Die Barrieren
werden um die Scharniere hoch gedrückt, bis sie an die Wasseroberfläche gelangen und bilden somit
an der jeweiligen Hafeneinfahrt eine geschlossene, feste Mauer.
Während die Produktion der Barriereelemente in Anlehnung an den im Schiffbau üblichen
Sektionsbau recht einfach zu gestalten ist, kommt den Befestigungseinheiten wegen ihrer enorm
großen Beanspruchung eine besondere Bedeutung zu. Wie in Bild 12 ersichtlich, stellt die
Konstruktion wegen ihrer Blechdicke von 120mm einerseits und wegen der eingeschränkten
Zugänglichkeit andererseits beachtliche Anforderungen an die schweißtechnische Fertigung.
Bild 12: Gestaltung der Scharnierelemente
Vor diesem Hintergrund fiel die Entscheidung der Verfahrensauswahl auf die MAG-Technik mit
Fülldrahtelektroden, wobei die Ausführung mit geeigneten Robotern erfolgt. Zur einwandfreien
Wurzelerfassung der rot markierten Nähte wurde die Ausführung der Wurzel auf keramischer
Badsicherung vorgenommen. Wegen der Wiederzündfähigkeit und unter Berücksichtigung des
Anforderungsprofils an die mechanisch-technologischen Gütewerte kam ein Metallpulverfülldraht in
Ø1,4mm zum Einsatz. Die Schweißparameter im Detail gehen aus Tabelle 2 hervor.
Tabelle 2: Schweißparameter der Eignungsprüfung
Keramische
Badsicherung
45°
5mm
160 Raupen
160 Raupen
Bild 13: Makroschliff der DHV-Naht mit Vollanschluss
Wie aus dem in Bild 13 gezeigten Makroschliff erkennbar, sind die Verbindungen trotz der
ungewöhnlich großen Wanddicke absolut fehlerfrei. Insbesondere ist der oft bei MAG-Massivdraht
unter erschwerten Bedingungen typische Bindefehler dank der sicheren Benetzung des
Fülldrahtlichtbogens nicht anzutreffen. Auf die Gütewerte der Verbindung wird im Vortrag
eingegangen.
Das System MOSE wurde entwickelt, um einem Höhenunterschied im Wasserspiegel von 2m
zwischen Lagune und Meer standzuhalten. Da die Zunahme des Wasserspiegels durch die zu
erwartenden Klimaänderungen 2m betragen wird, geht man davon aus, dass diese Anlage in den
nächsten 100 Jahren die Lagune von Venedig vor Überschwemmungen sicher schützt. Die Baukosten
dieser gigantischen Anlage belaufen sich auf ca. 10 Mrd. €. Die Barrieren sollen im Juni 2012 in
Betrieb genommen werden.
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Ausblick
Die angesprochenen Beispiele belegen, dass unter wirtschaftlichen und qualitativen Gesichtspunkten
das MAG-Schweißen mit Fülldrahtelektroden in vielen Fällen das Elektroden-Handschweißen
ersetzen kann, wobei den erheblichen Rationalisierungseffekten besonderes Interesse gilt. Des
Weiteren ist zu erwähnen, dass der Einsatz der schlackelosen Metallpulver-Fülldrahtelektroden eine
Erfolg versprechende Tendenz aufweist. Diese sind als Gegentyp zu den Massivdraht-Elektroden
anzusehen. Aufgrund ihrer sehr guten Wiederzündfähigkeit und des fast spritzerfreien
Prozessverhaltens sind sie für das Roboterschweißen prädestiniert. Die beschriebenen Applikationen
und Arbeitstechniken aus der Praxis geben einen Überblick über die universellen
Einsatzmöglichkeiten der Fülldrahtelektroden.
7
Literatur
[1]
Engindeniz, E.:
Fertigung bemerkenswerter Bauwerke mit großer Wanddicke
GST Dresden, September 2008
[2]
Engindeniz, E.:
Effiziente Schweißtechnik an bemerkenswerten Bauwerken
Schiffbautagung Hamburg, April 2009
[3]
Engindeniz, E., Giorgi, P.:
``MOSE`` - ein Jahrhundertbauwerk zum Schutz der Venedig-Lagune
GST Nürnberg, September 2010